CN218825938U - 一种教学用光成像演示装置 - Google Patents

Abstract

一种教学用光成像演示装置，具体涉及中学物理课堂教学用的光成像演示装置，为解决目前的光成像教学装置存在结构复杂，在操作时学生难以精准调节演示样品与焦点的距离的问题，箱体为一端开口的矩形腔体，矩形腔体的上表面自矩形腔体的开口端向另一端加工有第一开口，矩形腔体上表面的剩余板体的下表面上沿长度方向并列加工有多条滑道，多条滑道关于所述剩余板体长度方向的中轴线对称设置，每条滑道的长度均与所述剩余板体的长度相等，凹面镜安装在箱体的开口端，凹面镜的宽度与箱体的内部宽度相等，凹面镜的中心位置与箱体的上表面平齐，光源安装在箱体的一个侧面上，演示样品通过滑道滑动安装在箱体内部。属于光成像演示装置领域。

Description

一种教学用光成像演示装置

技术领域

本实用新型涉及一种光成像演示装置，具体涉及一种中学物理课堂教学用的光成像演示装置，属于光成像演示装置领域。

背景技术

2013年，丁霞在《物理通报》上发表的“利用数学公式和物理模型求曲率半径”可以非常清晰的了解如何应用数学公式计算凹面镜的曲率半径，这对于学生解决凹面镜相关的计算问题有切实的帮助。但物理是一门实验的科学，所有的结论要经过实验的检验才具有说服力；同时一味的进行计算学习理论，也会降低学生学习物理的乐趣；2019年，张君涵在《青少年科技博览》上发表的“海市蜃楼演示仪——可作为物理学科光学教具”的原理是双凹面镜的反射成像，但需要知道的是在中学的学习当中，凹面镜的成像规律本身就是一个易混知识点，不仅增加了反射次数，而且学生对知识的理解与掌握也是不利的；2019年，何艳阳在《物理教师》上发表的“基于问题引领的“凹面镜”课堂教学设计”，此教学设计主要是对已发表的“双凹面镜三维成像”技术的引入与说明，这说明这方面还需要增加更多有趣的实验教具，更能让学生对知识有一个清晰的认知。

针对上述问题申请号为2017204643767的实用新型专利提供了一种物理教学用光成像演示装置，该装置在制备过程中器材十分精密，同时将多种光学成像现象放入同一实验器材中，对于教师讲课中演示应用是方便的。但在进行光学实验时，需要先进行实验仪器的细致学习，此装置的结构过于复杂，在学习时较为麻烦，而且在实验时需要精准调节样品与焦点的距离，这些对于学生而言是难以理解与操作的；同时长时间的距离调整会使他们的耐心逐渐消失，从而失去学习光成像的兴趣。

实用新型内容

本实用新型为了解决目前的光成像教学装置存在结构复杂，在操作时学生难以精准调节演示样品与焦点的距离的问题，进而提出了一种教学用光成像演示装置。

本实用新型采取的技术方案是：

它包括凹面镜、箱体和光源，箱体为长度方向一侧的端部设有开口的矩形腔体，矩形腔体的上表面自矩形腔体的开口端朝向另一端加工有第一开口，第一开口的宽度与矩形腔体的宽度相等，第一开口的长度小于矩形腔体长度的二分之一，矩形腔体上表面的剩余板体的下表面上沿长度方向并列加工有多条滑道，多条滑道关于所述剩余板体长度方向的中轴线对称设置，每条滑道的长度均与所述剩余板体的长度相等，凹面镜安装在箱体的开口端，凹面镜的宽度与箱体的内部宽度相等，凹面镜的中心位置与箱体的上表面平齐，光源安装在箱体的一个侧面上，演示样品通过滑道滑动安装在箱体内部。

有益效果：

本装置包括箱体、凹面镜和光源，整体结构简单，操作方便，使本装置更加新颖，更加有趣。箱体的外表面上安装有测量尺，在操作时能够让学生准确直观的测量演示样品与焦点的距离。本装置将理论知识与生活实践结合，通过实验激发学生的探索精神，锻炼学生的动手能力，培养学生合作配合的团队精神。本装置可以让学生独立完成，对于物理专业的学生，可以将本实用新型与“双凹面镜三维成像”的演示仪放于一处，让学生能够直观的分析二者之间的关系。对于非物理专业的同学，能够锻炼他们的动手能力，同时锻炼了语言表达能力。演示样品可以换成任何(学生感兴趣)物品进行观察，更能激发学生学习的乐趣。学生通过自己的动手实践对理论知识记忆更加深刻，不易记混记错。本实用新型的制作从学生角度出发，制作一种学生易懂，操作简单，且能广泛应用的器材，不仅仅面向中学的学科教学，同时对物理学知识普及及应用起到很好的帮助。

附图说明

图1是本实用新型的轴测图；

图2是本实用新型的仰视图；

图3是本实用新型的光路图；

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述一种教学用光成像演示装置，它包括凹面镜1、箱体2和光源3，箱体2为长度方向一侧的端部设有开口的矩形腔体，如此设置，便于凹面镜1安装在箱体2的开口端，从而实现光成像演示，矩形腔体的上表面自矩形腔体的开口端朝向另一端加工有第一开口2-1，第一开口2-1的宽度与矩形腔体的宽度相等，第一开口2-1的长度小于矩形腔体长度的二分之一，矩形腔体上表面的剩余板体2-2的下表面上沿长度方向并列加工有多条滑道2-3，多条滑道2-3的数量为两条，多条滑道2-3关于所述剩余板体2-2长度方向的中轴线对称设置，每条滑道2-3的长度均与所述剩余板体2-2的长度相等，凹面镜1安装在箱体2的开口端，凹面镜1的宽度与箱体2的内部宽度相等，凹面镜1的中心位置与箱体2的上表面平齐，光源3安装在箱体2的一个侧面上，演示样品通过滑道2-3滑动安装在箱体2内部。

具体实施方式二：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述一种教学用光成像演示装置，它还包括测量尺，测量尺安装在箱体2侧面的外表面上。测量尺在移动演示样品时能够使观察者准确的记录演示样品的位置，其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述一种教学用光成像演示装置，它还包括控制开关，控制开关包括电源开关4和滑道移动开关5，电源开关4和滑道移动开关5并列安装在箱体2的一个侧面上，电源开关4与光源3电性连接，电源开关4用于控制光源3的开关，滑道移动开关5与滑道2-3电性连接。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述一种教学用光成像演示装置，凹面镜1的一倍焦距略小于第一开口2-1的长度。其它与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述一种教学用光成像演示装置，凹面镜1的二倍焦距小于箱体2的长度。其它与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述一种教学用光成像演示装置，它还包括凹面镜支架6，凹面镜支架6安装在箱体2的开口端，凹面镜1安装在凹面镜支架6上。其它与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述一种教学用光成像演示装置，它还包括滑块7，滑块7与滑道2-3配合使用，保证演示样品的移动，滑块7滑动安装在滑道内，滑块7与演示样品固定连接。其它与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

实施例

对实施例的设计制作环节包括确定凹面镜成像原理在本设计的应用范围、凹面镜1焦点的确定、箱体2的制作、样品测试环节四个部分。

1、理论分析

凹面镜1满足反射成像原理，每一束入射光有单独的法线方向和反射方向，沿焦点入射的光线会以平行光方向射出；以平行光入射的光线会经过焦点射出。由于凹面镜1在不同焦距处成像不同的原理，能够知道在一倍焦距内物像位置是同侧的，且在一倍焦距处不成像。本实施例以花束(演示样品)为例，花束是被遮挡住的，故一倍焦距内的成像无法实际被观测到，因此，只需要对大于一倍焦距的凹面镜成像规律进行说明。

设物像之间距离用l表示，凹面镜1的一倍焦距用f表示；当f<l<2f时，花束通过凹面镜1成倒立放大的实像；当l＝2f时，花束通过凹面镜1成倒立等大的实像；当l>2f时，花束通过凹面镜1成倒立缩小的实像。

本实用新型是将此成像原理通过幻影成像有趣的表示出来，从而增加学生的学习兴趣。

2、凹面镜1焦点的确定

在确定凹面镜1成像的具体范围后首先是精准测试凹面镜1的焦距。准备两只激光笔，实验员两手分别手握一只激光笔，保证手臂高度一致，与凹面镜1距离相等，且两手分别置于凹面镜1的左右两侧。首先，让一支激光笔向凹面镜1发出一束平行光线，通过凹面镜1在另一侧成一个像；再将另一只激光笔沿成像位置发出一束平行光照射凹面镜1，此光线通过凹面镜1与开始时发出激光的激光笔位置基本重合，在经过细微的调节，最后使两束光的位置与发出位置基本重合；此时，两束光经过凹面镜1反射后相交的位置即为凹面镜1的焦点处。

3、箱体2的制作

箱体2内最重要的部分是箱体2上表面的花束和控制花束与凹面镜1之间距离的滑道2-3。经过试验测量得到的焦距为43cm，一倍焦距点为B，结合研究内容，箱体2的长度要大于二倍焦距，故箱体2的长度为100cm；同时对凹面镜1的宽度进行测量，考虑到箱体2板材的影响，将箱体2的内侧之间的距离与凹面镜1的宽度一致，均为60cm；根据箱体2板材的厚度箱体2的外部宽度为61cm，即板材的宽度为0.5cm。此板材宽度的确定对箱体2高度的影响是不能被忽略的，仅此在高度的选取上一定要十分精准。首先，凹面镜1的最低端要与箱体2内部的下表面在同一水平高度，这就要求凹面镜1的最低端不能放于水平面处，要由凹面镜支架6调高0.5cm，与箱体2内部的下表面平齐并相接。本实用新型是用凹面镜1成倒置的物像关系原理进行操作的，因此箱体2要将凹面镜1沿焦点所在光轴的垂直方向的下方遮挡起来，且由于视差的影响，凹面镜1的镜面中心应当在成像一侧，同时考虑到实验的严谨性，因此将凹面镜1的镜面中心位置与箱体2的外侧上表面平齐，所以测得箱体2的高度为40cm。

至此，箱体2的基本构造已完成。这里要说明一点，花束需要沿焦点位置传播光线，因此箱体2的上表面长度要比箱体2的下表面长度小43cm，保证将焦点处露出；同时箱体2内需要光源3对演示样品进行照明，以确保观察的效果。如附图1所示。

对箱体2内部结构进行设计：首先是对于成像物体的确定。要考虑实验的可观性，选择的物体应该尺寸合适，外表美观，生活可见等因素，最终选取了宽度为20cm、高度为20cm的花束盆栽，这样在成像时既不会很小难以观察，也不会因为过大而看不到物体全景。对滑道2-3进行设计：滑道2-3采用自动滑道，则需确定滑道2-3的停止位置，即在二倍焦距处要有一个停止点；因为花束最开始应置于二倍焦距处，让观察者可以知道原始花束的大小。然后将滑道移动开关5设置为左、右两个方向，分别代表一倍焦距到二倍焦距的方向和大于二倍焦距的方向，观察花束盆栽的尺寸变化。滑道2-3的长度和箱体2上表面板体的长度相同，宽度与盆栽宽度一致即可。滑道2-3放置的位置是以凹面镜1的镜面中心与焦点的连线及延长线的方向为中心，左右宽度相等，均为10cm即可。如附图2所示，对于箱体2上表面板体的构造图选用的是用仰视图的方式进行构造的，这更加符合真实的结构。

将构造的实施例进行凹面镜成像规律分析，以一倍焦距到二倍焦距内的某一位置为例，其光路图如附图3所示。在箱体2内打开光源3和滑道2-3的向左开关，将花束置于确定位置。通过观察可以看到，花束顶端由于灯光的照明，在众多光线当中一定有两条这样的光线，一条由样品花束顶端向凹面镜1放出一平行光线，由于凹面镜成像原理，平行光入射的光线必经过焦点进行反射；另一条线则是通过凹面镜1的镜面中心点，对于通过所述镜面中心点的光线，其法线方向是极其特殊的，这条光线的法线方向即为凹面镜1的主光轴方向，通过主光轴进行反射成像。经过这两条特殊光线的绘图，最后两条光线经过凹面镜1反射的焦点即为花束顶端成像位置。对于花束的底端，其紧贴箱体2上表面板体的滑道2-3位置，及与主光轴几乎重合，故可自接在极小夹角范围反射成像，其原理与花束顶端一致；如附图3所示，成像为一个倒立放大的像，这时，观察者若站于镜子前方，所成的实像就会从凹面镜1中被观察到；或者可以在成像后侧放入一个投影屏，这样“幻影花束”就可以从各个角度被观察到。

本实施例经过专业物理教师的实际测试。本实施例基于最本质的凹面镜1光学成像原理，应用凹面镜1、花束、箱体2和显示屏共同设计制作一个“幻影花束长廊”，通过凹面镜1焦距不同、成像不同的原理，通过改变箱体2内的花束位置，使得观察者在显示屏上看到不同的花束映像；对于看到的结果学生能够根据学习的理论知识进行绘图表示，最后学生可以自行进入实验环节，组成小组共同探究完成“幻影花束长廊”实验，不仅激发了学生的学习积极性，和锻炼了他们的动手能力。

本装置改变了传统的实验当中对于反射实验通常都会选取蜡烛和光具组一起完成的方式，使本装置更加新颖，更加有趣。对于物理专业的学生，可以将本实用新型与“双凹面镜三维成像”的演示仪放于一处，便于学生分析二者之间的关系。对于非物理专业的同学，能够锻炼他们的动手能力，同时锻炼了语言表达能力。本装置可以让学生独立完成，不会有之前使用蜡烛烫伤的危险。而且花束可以换成任何(学生感兴趣)物品进行观察，更能激发学生学习的乐趣。

Claims (5)

1.一种教学用光成像演示装置，其特征在于：它包括凹面镜(1)、箱体(2)和光源(3)，箱体(2)为长度方向一侧的端部设有开口的矩形腔体，矩形腔体的上表面自矩形腔体的开口端朝向另一端加工有第一开口(2-1)，第一开口(2-1)的宽度与矩形腔体的宽度相等，第一开口(2-1)的长度小于矩形腔体长度的二分之一，矩形腔体上表面的剩余板体(2-2)的下表面上沿长度方向并列加工有多条滑道(2-3)，多条滑道(2-3)关于所述剩余板体(2-2)长度方向的中轴线对称设置，每条滑道(2-3)的长度均与所述剩余板体(2-2)的长度相等，凹面镜(1)安装在箱体(2)的开口端，凹面镜(1)的宽度与箱体(2)的内部宽度相等，凹面镜(1)的中心位置与箱体(2)的上表面平齐，光源(3)安装在箱体(2)的一个侧面上，演示样品通过滑道(2-3)滑动安装在箱体(2)内部；

它还包括测量尺和控制开关，测量尺安装在箱体(2)侧面的外表面上，控制开关包括电源开关(4)和滑道移动开关(5)，电源开关(4)和滑道移动开关(5)并列安装在箱体(2)的一个侧面上，电源开关(4)与光源(3)电性连接，滑道移动开关(5)与滑道(2-3)电性连接。

2.根据权利要求1中所述的一种教学用光成像演示装置，其特征在于：凹面镜(1)的一倍焦距小于第一开口(2-1)的长度。

3.根据权利要求2中所述的一种教学用光成像演示装置，其特征在于：凹面镜(1)的二倍焦距小于箱体(2)的长度。

4.根据权利要求3中所述的一种教学用光成像演示装置，其特征在于：它还包括凹面镜支架(6)，凹面镜支架(6)安装在箱体(2)的开口端，凹面镜(1)安装在凹面镜支架(6)上。

5.根据权利要求4中所述的一种教学用光成像演示装置，其特征在于：它还包括滑块(7)，滑块(7)滑动安装在滑道内，滑块(7)与演示样品固定连接。

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